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港珠澳大桥以前,国内的沉管隧道都修建于内河。对于内河沉管隧道,其地质条件较好、波浪强度小、基槽内回淤量小,基槽边坡稳定性问题不突出。但以深中通道沉管隧道为代表的长距离海底沉管隧道工程,存在地质条件差、波浪强度大、基槽内回淤量大等一系列问题,基槽边坡的稳定性问题成为了控制施工安全的关键问题。本文以深中通道沉管隧道为背景,采用试挖槽试验和数值模拟相结合的方式,分别对静水条件、回淤作用及波浪作用下的基槽边坡稳定性展开分析。本文的主要研究内容和成果如下:
(1)通过现场试挖槽试验,获得了试挖槽内回淤随时间和空间的变化规律。研究表明:回淤平面分布差异明显,槽底、北坡、南坡的回淤量依次减小;回淤竖向分布不均,从上至下呈递减趋势;回淤全年分布不均,洪季时回淤量大,枯季时回淤量小,回淤物逐渐密实而密度增大。
(2)本文研究表明,有限元极限平衡法能从应力-应变状态、安全系数和潜在滑动面等多个角度更全面地分析边坡的失稳机制,尤其适用于外荷载作用下的稳定性分析。基于有限元极限平衡法,研究了静水条件下基槽边坡稳定性影响因素,研究发现:岩石、砂土、粘土、淤泥边坡的稳定性差异明显,应重点关注淤泥边坡的稳定性;边坡的坡高或坡度增大均会导致其安全系数减小,且安全系数与坡度系数近似呈线性关系。
(3)以试挖槽试验成果为依据建立数值模型,对回淤作用下的基槽边坡稳定性进行了研究,结果表明:基槽边坡稳定性主要受坡面回淤控制,回淤放坡处理可明显改善坡面回淤的稳定性;回淤厚度增大、回淤放坡坡度增大、基槽坡高增大、边坡坡度增大、回淤抗剪强度降低均不利于坡面回淤的稳定性。
(4)采用线性波浪理论,将波浪力等效为拟静力荷载,从安全系数、潜在滑动面、变形等角度深入分析了波浪对基槽边坡稳定性的影响规律,研究表明:淤泥边坡受波浪影响程度明显大于粉砂和粘土边坡;基槽边坡的安全系数随时间波动,且在波峰位于坡顶上方时取得最小值;基槽水深减小、波浪波长或波高增大都不利于基槽边坡的稳定性;巨浪作用下,潜在滑动面的水平宽度小于一倍波长,为坡顶附近土体的浅部滑移。
(5)依托实际工程,验证了本文所得结论。通过不同重现期的波浪影响研究得出,常规波浪对基槽边坡的稳定性影响较小,但超过100年重现期的巨浪将导致基槽边坡的安全系数大幅下降。
(1)通过现场试挖槽试验,获得了试挖槽内回淤随时间和空间的变化规律。研究表明:回淤平面分布差异明显,槽底、北坡、南坡的回淤量依次减小;回淤竖向分布不均,从上至下呈递减趋势;回淤全年分布不均,洪季时回淤量大,枯季时回淤量小,回淤物逐渐密实而密度增大。
(2)本文研究表明,有限元极限平衡法能从应力-应变状态、安全系数和潜在滑动面等多个角度更全面地分析边坡的失稳机制,尤其适用于外荷载作用下的稳定性分析。基于有限元极限平衡法,研究了静水条件下基槽边坡稳定性影响因素,研究发现:岩石、砂土、粘土、淤泥边坡的稳定性差异明显,应重点关注淤泥边坡的稳定性;边坡的坡高或坡度增大均会导致其安全系数减小,且安全系数与坡度系数近似呈线性关系。
(3)以试挖槽试验成果为依据建立数值模型,对回淤作用下的基槽边坡稳定性进行了研究,结果表明:基槽边坡稳定性主要受坡面回淤控制,回淤放坡处理可明显改善坡面回淤的稳定性;回淤厚度增大、回淤放坡坡度增大、基槽坡高增大、边坡坡度增大、回淤抗剪强度降低均不利于坡面回淤的稳定性。
(4)采用线性波浪理论,将波浪力等效为拟静力荷载,从安全系数、潜在滑动面、变形等角度深入分析了波浪对基槽边坡稳定性的影响规律,研究表明:淤泥边坡受波浪影响程度明显大于粉砂和粘土边坡;基槽边坡的安全系数随时间波动,且在波峰位于坡顶上方时取得最小值;基槽水深减小、波浪波长或波高增大都不利于基槽边坡的稳定性;巨浪作用下,潜在滑动面的水平宽度小于一倍波长,为坡顶附近土体的浅部滑移。
(5)依托实际工程,验证了本文所得结论。通过不同重现期的波浪影响研究得出,常规波浪对基槽边坡的稳定性影响较小,但超过100年重现期的巨浪将导致基槽边坡的安全系数大幅下降。